MOS做电源开关的实用电路，NMOS低端驱动与PMOS高端驱动，泄放电阻的作用，及选型参数分析

随着对器件的控制需求提升，越来越多的电源开关电路出现在设计中。这些设计的目的各有不同：有的需要快速开通与关断，有的需要低导通电阻+大电流，有的需要闲时0功耗。虽然应用场合不同，但这都是MOS适用的强项。下面来介绍几种产品设计中常用的MOS做电源开关的电路。

1、NMOS做电源开关（低端驱动，最简单）
由于NMOS和PMOS在原理和生产工艺上存在差异，导致同价格的NMOS在开通速度、额定电流、导通内阻这些参数上均优于PMOS，所以设计中尽量优先选择NMOS。

下图为使用NMOS，最简单的开关电路。（低端驱动）

CONTROL为控制信号，电平一般为3~12V。负载一端接电源正极，另一端接NMOS的D（漏极）。
CONTROL电平为高时，Vgs>NMOS的Vgs导通阀值，MOS导通，负载工作。
CONTROL电平为低时，Vgs=0，MOS关断，负载停机。

 

 

1.1、设计时注意事项
1.1.1、泄放电阻 R1
上面这个电路中，通常都会在NMOS的G极、S极间，并联一个10K左右的电阻。这个电阻通常被叫做泄放电阻，用来泄放GS极间的电荷。加它的原因是因为MOS的GS极间的阻值非常高，通常为M欧以上，并且GS间还有结电容，这就导致GS一旦充电，就很难释放掉。如果没有这个泄放电阻，在G极通入高电平，负载会工作，而将G极上的控制信号拿开，由于结电容的存在，GS间的电压会维持在导通阀值以上很长一段时间，负载仍会继续工作。而加了泄放电阻，会加快泄放速度，使电路功能更加合理易用。

1.1.2、Vgs电压范围
通常来讲，TO-220、TO-251AA、SOP-8、SO-8（DFN3x3）、TO-252、TO-363 这些封装比较大的器件，通常额定耐压、额定电流都比较大，Vgs的最大允许范围一般为± 20V。

由于Vgs的驱动电压越高，MOS的导通电阻就越小，导通速度也越快，所以像电机控制一般多使用12V作为驱动电压。

SOT-23封装的Vgs最大范围一般为± 12V。

切莫使Vgs超出手册规定的范围，会导致MOS损坏。

下图为 IRLR7843 - NMOS 的部分数据手册。

 

 

 

 

 

1.1.3、寄生结电容 | 驱动电流 | 栅极驱动器
MOS的GS极间的寄生结电容大小，影响了开断速度。越小开断越快，响应越迅速。选型时，应尽量选择小的，可以有更快的开断速度。

 

 

因为MOS的GS极为容性，高频驱动时需要很大的驱动电流。这时就不能使用MCU的IO口直接驱动了，需要使用专用的MOS栅极驱动IC。NMOS的低端驱动IC很简单，内部大多为一个半桥。市面上使用更多的驱动IC为高侧+低侧栅极驱动IC，而单单低侧的栅极驱动由于较为简单，搞个NP对管就能实现相近的效果，即使芯片有很多选择，也并不常用。

下图为，TI官网的栅极驱动器选型表。

 

 

2、NMOS做电源开关（高端驱动，稳定，性能好）
上面的用法，是用NMOS将元件的GND浮空，并通过开通GND实现电路负载的开关。

一般的电路这样用可能没什么问题，但有的就不行了，例如需要低侧电流采样的电机驱动电路。

NMOS的高端栅极驱动，大体分为两种。

一种是带电荷泵的。可允许高侧NMOS的持续开通。性能稳定，但成本略高。

另一种是通过电容浮栅自举。需要输入信号为PWM脉冲，通常只允许99%占空比输入，以在空闲时间给自举电容充电。这种应用需要限制PWM信号的占空比。

其中应用较多的是电容浮栅自举，且类型大多为高侧+低侧栅极驱动IC，或者叫MOS半桥栅极驱动IC。其内部集成了死区控制器，以防止半桥上下管同时开通，造成短路MOS过流损坏，俗称炸管。常用型号如 IR2101、IR2104、IR2110、IR2130，市面上的大多数栅极驱动IC多以这几款IC为仿照蓝本。

随着电机控制对FOC需求的激增，同时也促使了MOS栅极驱动器的集成度提高，诸如DRV8301、DRV8305 这些集成了三相半桥栅极驱动、DCDC降压、多路增益可编程的差分放大器的驱动器，被越来越多的应用到产品上。并且还克服了最大占空比输入为99%的缺点，使用涓流充电电路来补偿自举电容泄漏的电流，以支持 100%占空比运行。

TI的高侧驱动器型号，可在 电源管理 - 电源开关 - 高侧开关 下寻找。

 

 

3、PMOS做电源开关（高端驱动，稳定，简单）
NMOS做高端开关虽然比较好，但由于需要增加额外的栅极驱动IC，会使电路变得复杂，成本也会提升。不过除了电机控制的场合，一般对开通速度、导通内阻、过电流能力 无细致需求的话，PMOS无疑是做开关的较好选择。

下图是PMOS做高端开关的电路，CONTROL为控制信号，电平为0~VCC。

CONTROL为0V时，Vgs<导通阀值，PMOS开通，负载工作。
CONTROL为VCC时，Vgs>导通阀值，PMOS关断，负载停机。

 

 

注意上图这里的输入信号 CONTROL，其电平要保证Vgs能使PMOS开通；又要在拉低时，限制Vgs不能小于最小允许电压，避免PMOS损坏。

但MCU或其他控制器的电平一般为固定的3.3V / 5V，而VCC却要在一个很大的范围内变动。这就导致如果使用I/O口直接驱动的话，PMOS不能关断，并且当VCC较大时，还会损坏MCU的I/O口。

所以PMOS做高端开关时，一般搭配一个小电流的NMOS或者NPN管，来做驱动电平转换。

如下图，NMOS - Q3负责做电平转换，来驱动Q2 - PMOS的开关。

当 CONTROL 为0时，Q3关断，Q2的G极电平被拉高为VCC，Q2 - PMOS关断，负载停机。
当CONTROL 为1，Q3开通，Q2的G极电平被拉低为0，Q2 Vgs<导通阀值，PMOS开通，负载工作。

 

 

随之而来新的问题：如果VCC电压很高，在PMOS开通时，导致Vgs超出了手册中的Vgs允许范围，也会造成PMOS的损坏。

为了避免损坏PMOS的栅极，在上面的电路中，添加一个稳压管和电阻，来达到钳位的作用，使Vgs最小不低于-12V，以保护Q2的栅极。（见下图）

特别注意：VCC电压较高时，需要重新计算各电阻的热功耗，来确定合适的封装，或者更改阻值。

 

 

PMOS做低端开关的实例实在是少之又少，并且PMOS做低端开关确实没什么好处，电路复杂且参数较差，不如直接用NMOS，在此不做介绍。
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